Як штучні гени змінюють життя на Землі і в космосі

Об'єднана команда біологів з Гарвардського університету і Массачусетського технологічного інституту опублікувала в журналі Science результати унікального експерименту. Повністю замінивши генетичний код кишкової палички, вчені вивели штучну бактерію на природній основі, стійкий до всіх існуючих вірусів. Якщо підселити таку бактерію в організм людини, вона забезпечить середу, в якій не зможуть розмножуватися віруси, в тому числі володіють стійкістю до антибіотиків. А таких мікроорганізмів, як відомо, стає все більше, і це, за заявою ВООЗ, вже стало проблемою світового масштабу. Перемогти резистентність бактерій до антибіотиків, а також вирішити багато інших актуальних питань допоможе синтетична біологія, яка стала нині одним з найбільш активно розвиваються наукових напрямків. І якщо, за оцінкою експертів Global Industry Analysts, обсяг світового ринку синтетичної біології ще у минулому році становив близько $4,7 млрд, то в цьому він складе майже $11 млрд.

Життя по цеглинках

Синтетична біологія об'єднує науку, інженерію для створення неіснуючих у природі біологічних систем з заданими функціями. Тобто поки одні вчені досліджують геноми, інші замінюють в них природні елементи синтетичними для вирішення різних прикладних завдань — від лікування захворювань до біотехнологій майбутнього і проектування космічних систем.

Насправді, перші реальні досягнення синтетичної біології з'явилися зовсім недавно, коли в кінці 2010 р. в американському Інституті Крейга Вентера створили першу бактерію з повністю синтетичним геномом. Минуло п'ять років, і вчені отримали організм з мінімальним геномом, тобто має тільки найнеобхідніші для існування функції. На цій базі можна конструювати будь-які організми з наперед заданими властивостями, скажімо, виділяють у процесі життєдіяльності спирт або молекули полімерів, з яких можна робити пластмасу, або вид, який зможе пожирати віруси або ракові клітини.

Зараз у сфері синтетичної біології працюють багато світових лабораторій, але особливо активно цей напрямок розвивається в Массачусетському технологічному інституті. Саме фахівці MIT стали ініціаторами створення великого генетичного банку, що дозволяє створювати будь-який потрібний організм, як це роблять при проектуванні звичайної техніки. Банк становлять биокирпичи (BioBrick) — фрагменти ДНК, чия функція строго визначена і які можна впровадити в геном клітини для синтезу заздалегідь відомого білка, що забезпечує певні функції. Всі відібрані биокирпичи нормально взаємодіють один з одним, їх легко включати в природне генетичний ланцюжок.

Крім того, кожна цеглинка посилає певні хімічні сигнали і взаємодіє з іншими фрагментами коду. Тобто штучний фрагмент ДНК повністю приживається в клітці і сприймається всіма її компонентами як натуральний. Створений MIT генетичний банк суттєво прискорив розвиток синтетичної біології, і відкриттів у цій сфері стало набагато більше.

Як налаштувати комара проти малярії

Один з найбільш наочних прикладів синтетичної біології — генна інженерія, продуктом якої є генномодифіковані організми. Наприклад, китайські вчені з Інституту генетики в Пекіні вивели овець з підвищеним вмістом в м'ясі жирних кислот Омега-3, а вчені канадського Університету Макгілла — корів з більшою м'язовою масою і сильним імунітетом.

Багато дослідів проводиться з комарами — розповсюджувачами небезпечних захворювань, у тому числі різних форм лихоманки. Так, вчені з Каліфорнійського університету ввели комах штучні гени, які мають підвищену стійкість збудника малярії. Після того, як їх випустили в зонах найбільшого поширення захворювання, вони поступово замінюють диких носіїв інфекції. Є вже й комарі з штучними генами, стійкими до вірусу лихоманки денге.

В рамках синтетичної біології створюють також модифіковані бактерії, які можуть робити складні дефіцитні ліки дешево і у промислових обсягах. А фахівці зі Стенфордського університету вивели бактерії-вбивці, здатні не тільки знайти, але і знищити рак. Такі експерименти зазвичай проводять на базі кишкової палички — E coli (Escherichia coli), яку найпростіше запрограмувати на потрібні властивості.

Еко-бактерії

За словами біоінженера з Стенфордського університету Дрю Енді, синтетична біологія незабаром стане головною платформою для створення недорогих і ефективних виробничих технологій. Наприклад, фахівці компанії Joule Unlimited сконструювали бактерію E coli, перетворюючу вуглекислий газ в паливо. Шукають також нові способи по перепрограмуванню інших мікробів з метою виробництва промислових інгредієнтів.

Днями швейцарські біологи з Базельського університету та Вищої технічної школи Цюріха представили бактерії, всередині яких працює штучний фермент, що не має природного аналога. У статті, опублікованій в журналі Nature, йдеться, що цей білок, що містить атоми металу, каталізує промислові хімічні реакції всередині живої клітини. Вчені впевнені, що в майбутньому промисловість на біологічній основі дозволить відмовитися від дорогих, складних хімічних процесів синтезу, які використовують високі температури, високий тиск і токсичні каталізатори, на користь більш ефективного та менш токсичного біохімічного синтезу.

Спроектовані геноми можуть призвести до появи альтернативних джерел енергії, синтезу біопалива, бактерій, які допоможуть видаляти надлишки вуглекислого газу з атмосфери та ін. Одне з головних напрямків досліджень у галузі синтетичної біології — отримання дешевої енергії. Над цим, зокрема, працює лабораторія Крейга Вентера. Вчені створюють біопаливо нового покоління на основі водоростей зі зміненим геномом. Такі мікроорганізми будуть виробляти вуглеводні, схожі за складом на органічні речовини нафти. Все, що для цього потрібно, — сонячне світло і вода. До слова, уряди розвинутих країн відносяться до таких розробок вельми уважно. Зокрема, міністерство енергетики США щорічно виділяє на експерименти Вентера від 80 млн до $115 млн.

Космічна фармацевтика

Біолог Крістофер Карр, очолює ряд програм з синтетичної біології в Массачусетському технологічному інституті, каже, що незабаром технології дозволять створювати необхідні ліки прямо в ході космічних дослідницьких місій. Це можна зробити, наприклад, за допомогою сінної палички — грунтової бактерії B. Subtilis, генетично модифікований варіант якої вже використовується в промисловості для виробництва безлічі ферментів і інших продуктів. Оскільки B. Subtilis здатна переходити в стан спори, можна створити цілу колекцію спір із заданими властивостями, щоб в умовах космосу виробляти ліки, підтримувати систему життєзабезпечення, вирощувати їжу і пр.

Синтетичну біологію будуть застосовувати і в непілотованих місіях на ближні і дальні планети. У цьому випадку модифіковані організми стануть детекторами певних органічних сполук. Вони зможуть виявляти речовини, навіть якщо їх концентрація гранично низька. У відповідь на певну речовину бактерії будуть світитися, виробляючи зелений флуоресцентний білок. Активність B. Subtilis вже перевірили в космічних умовах: бактерія зберегла всі властивості в умовах вакууму на низькій навколоземній орбіті. Для застосування в космічних програмах у синтетичної біології дійсно величезний потенціал: інструментами на основі модифікованих бактерій можна буде замінити використовувані зараз складні громіздкі системи.